В теории, ядерный синтез — это идеальный источник энергии, достаточно просто добавить водород и получить обильное количество энергии и гелия. При этом не возникает массовой потери среды обитания, как при использовании солнечной энергии, и нет ужасных выбросов углекислого газа, как при сжигании угля или газа. Единственная проблема в том, что машины, способные создавать синтез, огромны, дороги и невероятно сложны. Именно поэтому, несмотря на миллиарды долларов финансирования и тысячи инженеров, работающих без устали на протяжении десятилетий, у нас все еще нет реактора синтеза, способного производить энергию. Но на промышленной площадке в Оксфорде был создан революционный новый реактор, который решает все эти проблемы и может даже начать вырабатывать используемую энергию синтеза к 2030 году. Однако ученые не пришли к этой невероятной новой технологии сами по себе. Их вдохновила самая смертоносная креветка в мире. Добро пожаловать в выдающуюся технологию биомимикрии синтеза First Light Fusion.
Прежде чем мы погрузимся в технологию First Light, нам сначала нужно понять, почему мы еще не достигли успеха в области энергии синтеза. На самом деле, получить синтез водорода в гелий (и высвобождение тонны энергии) относительно просто. Вам просто нужно создать условия с достаточно высоким давлением и температурой, чтобы атомы водорода имели достаточно кинетической энергии для преодоления отталкивающих атомных сил.
Однако текущие конструкции реакторов, такие как реакторы магнитного удержания (токамаки), реакторы инерционного удержания (Национальная установка зажигания) и реакторы магнитно-мишеневого синтеза (Helion), все они очень сложны и энергоемки. Им всем требуются либо мощные и точные магнитные поля, либо мощные лазеры для запуска реакции синтеза. Это делает эти машины глубоко сложными, с тысячами областей для потенциальных потерь эффективности, и поэтому мы боремся, чтобы получить больше энергии, чем вкладываем.
Одно из решений — использовать современные компьютерные симуляции (см. мою статью о Fusion AI от DeepMind) и передовые материалы для решения этих проблем с эффективностью. Однако разработка, симуляция, реализация и затем доказательство того, что эти решения работают, занимают годы и стоят миллионы (если не миллиарды) долларов. Именно поэтому синтез был так долго неуловим.
Но First Light Fusion решила подойти к вопросу совершенно по-другому. Упростив всю машину, они могут устранить области, вызывающие потери. Более того, гораздо проще машина может быть сделана более эффективной гораздо быстрее с меньшими затратами, так как ее меньший и простой дизайн упрощает разработку.
Но как упростить одну из самых сложных машин человечества? Ну, вы ищете ответы в природе, поскольку эволюция, как правило, имеет ответ на каждую инженерную проблему. First Light Fusion нашла свое природное вдохновение в креветке-пистолете.
Креветки-пистолеты не больше вашего пальца, но они опасны в своем океанском доме. Это из-за оружия, которое они носят. Один из их клешней был модифицирован и превращен в мощное оружие кавитации, способное наносить ужасный урон их добыче или чему угодно, что их угрожает.
Кавитация — это когда вода толкается так сильно, что разделяется и создает вакуумный пузырь. Затем вода стремится вернуться, чтобы заполнить этот вакуум так быстро, что может стать горячее, чем поверхность Солнца! Этот эффект можно увидеть во многих местах, от повреждений пропеллеров высокоскоростных кораблей до шрамов на плавниках дельфинов. Но креветка-пистолет может захлопнуть один из своих клешней так быстро, что создает пузырь кавитации и выпускает его в свою жертву. Это либо оглушает ее добычу, либо может серьезно повредить любую угрозу.
Это довольно аккуратный трюк, но как он может помочь нам сделать лучший реактор синтеза? Что ж, понимая механику, лежащую в основе создания кавитаций креветками-пистолетами, мы можем сделать то же самое, но усилить до 11!
First Light Fusion разработала реактор на основе снарядов, который использует гиперзвуковые ударные волны для создания безумных температур и давления, необходимых для синтеза. Это начинается с пеллеты, содержащей водород, которая падает и свободно падает через реактор. Когда она достигает середины, устройство, подобное «рельсотрону», стреляет в нее крошечным снарядом, движущимся со скоростью 14 500 миль в час! Когда этот снаряд попадает в пеллету, он сжимает ее с нескольких миллиметров до всего ста микронов в ширину (около 5% от исходного размера).
Но пеллета не просто сжимается. Она сформирована таким образом, чтобы водород, который она содержит, смешивался с ударной волной снаряда, сжимая его еще больше (как кавитация креветки-пистолета). Это затем вызывает синтез и высвобождает тонну энергии! First Light затем использует жидкий литий для захвата этой энергии в виде тепла и использует теплообменник для преобразования этого тепла в используемую энергию.
Этот невероятный реактор имеет всего четыре простых части. Орудие, топливная пеллета/снаряд, реакторная камера и захват энергии. Мы можем легко сделать каждую из этих частей невероятно эффективной за короткое время, не тратя миллиарды. Все благодаря использованию гидродинамики, как у скромной креветки.
First Light уже построила реактор, работающий таким образом, и достигла синтеза с уровнями эффективности, сопоставимыми с ведущими в отрасли высокоразвитыми токамаками. Беспрецедентный успех для совершенно новой конструкции технологии синтеза.
Реактор First Light Fusion может быть дешевле, чем атомная энергия — Фото Фусун Тут на Unsplash Это дало им уверенность объявить, что они создадут работающий реактор синтеза на основе этой технологии, который к 2030 году сможет производить 744 мегаватт мощности. Более того, они прогнозируют, что это будет стоить менее 1 миллиарда долларов, что на порядки дешевле, чем любая другая технология синтеза. Это будет даже дешевле строительства, чем большинство существующих сегодня атомных реакторов на делении! Так что не только First Light может иметь первый работающий реактор синтеза, но и стоимость за кВт·ч может быть значительно ниже текущего рыночного среднего!
Так что, держат ли креветки-пистолеты ключ к ядерному синтезу? Похоже, что могут! First Light уже показала, что технология синтеза на основе креветок работает действительно хорошо. Но теперь им нужно развивать и совершенствовать ее, что является сложной частью. Между ними и работающим реактором синтеза много тупиков и практически невозможных инженерных задач. Однако они уже показали, что они гораздо более изобретательны, хитры и творчески, чем кто-либо другой в своей отрасли. К тому же, их конструкция имеет гораздо меньше проблем, чем любой другой реактор синтеза. Так что если кто-то и сможет реализовать эту технологию, так это эти британцы-аутсайдеры из Оксфорда.